JP4422504B2 - Switching power supply device and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は産業用や民生用の電子機器に直流安定化電圧を供給するスイッチング電源装置及びその制御方法に関する。特に、本発明は複数のスイッチング電源回路により構成されたスイッチング電源装置の安定性の改善に関する。 The present invention relates to a switching power supply apparatus that supplies a DC stabilized voltage to industrial and consumer electronic devices and a control method therefor. In particular, the present invention relates to an improvement in stability of a switching power supply device configured by a plurality of switching power supply circuits.
近年、電子機器の低価格化・小型化・高性能化・省エネルギー化に伴い、このような電子機器に用いられる電源装置としても、低価格で小型で出力が安定した、高効率なスイッチング電源装置が強く求められている。特に、半導体装置に給電する電源では、半導体の高集積化に伴い、より低電圧で安定度が高く大電流が供給できる電源装置の要求が高まっている。スイッチング電源装置におけるスイッチング電源回路では、オンオフ動作を繰り返すスイッチング素子により矩形波状の交流電圧を形成し、高周波のトランスを用いて所望の交流電圧に変更した後に、整流回路と平滑回路により直流電圧に変換している。このスイッチング電源装置において用いられるトランスは、磁性体にトランスの1次巻線と2次巻線を複数回巻装した構成であり、巻線に印加する電圧や誘起される電圧がその巻数を調整することにより変更される構成である。一般的に、スイッチング電源回路においては、トランスにより大まかな電圧の変更を行い、電圧の微調整はスイッチング素子のオンオフ比のPWM制御により行っている。トランスの1次巻線や2次巻線の巻数は、主に印加される電圧によって決定され、電圧が高いほど必要な巻数は多くなる。トランスの巻数が多くなると、巻線間を絶縁するために必要な部分の体積が増加し、その結果トランスの外形が大きくなるという問題があった。 In recent years, as electronic devices have become cheaper, smaller, higher performance, and more energy efficient, the power supply devices used in such electronic devices are also low cost, small size, stable output, and highly efficient switching power supplies. Is strongly demanded. In particular, with a power supply for supplying power to a semiconductor device, a demand for a power supply device capable of supplying a large current with a lower voltage and higher stability is increasing as the semiconductor is highly integrated. In a switching power supply circuit in a switching power supply device, a rectangular wave AC voltage is formed by a switching element that repeatedly turns on and off, and after changing to a desired AC voltage using a high-frequency transformer, it is converted to a DC voltage by a rectifier circuit and a smoothing circuit. is doing. The transformer used in this switching power supply device has a structure in which a primary winding and a secondary winding of a transformer are wound around a magnetic material a plurality of times, and a voltage applied to the winding and an induced voltage adjust the number of turns. It is the structure changed by doing. Generally, in a switching power supply circuit, a voltage is roughly changed by a transformer, and fine adjustment of the voltage is performed by PWM control of an on / off ratio of the switching element. The number of turns of the primary winding and the secondary winding of the transformer is mainly determined by the applied voltage, and the required number of turns increases as the voltage increases. When the number of turns of the transformer increases, the volume of the portion necessary for insulating the windings increases, resulting in a problem that the outer shape of the transformer becomes large.
スイッチング電源回路におけるスイッチング素子には、入力電圧にほぼ比例した電圧が印加され、入力電圧が高い場合には高い電圧が印加される。スイッチング素子としては主に半導体素子が用いられており、オフ時に印加される電圧が高い半導体素子の場合には、オン時の抵抗や電圧降下が大きくなるのが一般的である。この結果、半導体素子における損失が大きくなり、この損失に伴う熱を放散させるための放熱手段が大きくなり、装置の小型化の達成が困難であった。この問題を解決するために、複数のスイッチング電源回路の各入力側を直列に接続して、各スイッチング素子に印加される電圧を低くする構成が考えられる。 A voltage substantially proportional to the input voltage is applied to the switching element in the switching power supply circuit, and a high voltage is applied when the input voltage is high. As the switching element, a semiconductor element is mainly used. In the case of a semiconductor element having a high voltage applied at the time of turning off, the resistance and voltage drop at the time of turning on are generally large. As a result, the loss in the semiconductor element increases, and the heat dissipating means for dissipating the heat accompanying the loss increases, making it difficult to achieve downsizing of the device. In order to solve this problem, a configuration is considered in which the input sides of a plurality of switching power supply circuits are connected in series to reduce the voltage applied to each switching element.
従来スイッチング電源装置における複数のスイッチング電源回路の入力側直列接続方式は特許文献1(特開昭62−138061号公報)に記載されたものが知られている。
図4は複数のスイッチング電源回路が入力側直列接続された従来のスイッチング電源回装置の構成例を示す回路図である。図4において、入力直流電源201からの入力直流電圧は、入力端子202a,202bに供給されており、入力端子202a,202bには複数のコンデンサ203,204,205,206の直列回路が接続されており、各コンデンサ203,204,205,206により入力端子202a,202bに印加された入力直流電圧を分割している。以下の説明において、入力端子202a,202bに接続された複数のコンデンサ203,204,205,206のそれぞれを第1のコンデンサ203、第2のコンデンサ204、第3のコンデンサ205、第4のコンデンサ206と称す。第1のコンデンサ203と第2のコンデンサ204の直列回路の両端には第1のスイッチング素子207と第2のスイッチング素子208の直列回路が接続され、第3のコンデンサ205と第4のコンデンサ206の直列回路の両端には第3のスイッチング素子209と第4のスイッチング素子210の直列回路が接続されている。
As a conventional input-side serial connection method for a plurality of switching power supply circuits in a switching power supply device, the one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-138061 is known.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of a conventional switching power supply circuit in which a plurality of switching power supply circuits are connected in series on the input side. In FIG. 4, an input DC voltage from an input
第1のトランス211は、1次巻線211aと第1の2次巻線211bと第2の2次巻線211cとを有している。1次巻線211aの一端は第1のコンデンサ203と第2のコンデンサ204の接続点に接続されており、1次巻線211aの他端は第1のスイッチング素子207と第2のスイッチング素子208の接続点に接続されている。第1の2次巻線211bと第2の2次巻線211cは直列接続である。
第2のトランス212は、1次巻線212aと第1の2次巻線212bと第2の2次巻線212cとを有している。1次巻線212aの一端は第3のコンデンサ205と第4のコンデンサ206の接続点に接続されており、1次巻線212aの他端は第3のスイッチング素子209と第4のスイッチング素子210の接続点に接続されている。第1の2次巻線212bと第2の2次巻線212cは直列接続である。
The
The
第1のトランス211の第1の2次巻線211bには第1の整流ダイオード213のアノードが接続されており、第2の2次巻線211cには第2の整流ダイオード214のアノードが接続されている。第1の整流ダイオード213と第2の整流ダイオード214のそれぞれのカソードは互いに接続されている。このように、第1の整流ダイオード213と第2の整流ダイオード214が第1のトランス211に接続されており、第1の2次巻線211bと第2の2次巻線211cに発生する電圧を整流している。
図4に示すように、第1のチョークコイル215と平滑コンデンサ216の直列回路の一端は、第1の2次巻線211bと第2の2次巻線211cとの接続点に接続されており、この直列回路の他端は第1の整流ダイオード213と第2の整流ダイオード214の接続点(カソード)に接続されている。
The anode of the
As shown in FIG. 4, one end of the series circuit of the
第2のトランス212の第1の2次巻線212bには第3の整流ダイオード217のアノードが接続されており、第2の2次巻線212cには第4の整流ダイオード218のアノードが接続されている。第3の整流ダイオード217と第4の整流ダイオード218のそれぞれのカソードは互いに接続されている。このように、第3の整流ダイオード217と第4の整流ダイオード218が第2のトランス212に接続されており、第1の2次巻線212bと第2の2次巻線212cに発生する電圧を整流している。
第2のチョークコイル219の一端は第3の整流ダイオード217と第4の整流ダイオード218の接続点(カソード)に接続されており、他端は平滑コンデンサ216の一端に接続されている。平滑コンデンサ216の両端は出力端子220a,220bに接続されており、出力端子220a,220bに接続された負荷221により電力が消費される。
The anode of the
One end of the
図4に示すように、正極側の出力端子220aに生じた電圧は誤差増幅器223の一方に入力され、誤差増幅器223の他方には基準電源222からの基準電圧が入力される。誤差増幅器223は、出力端子220a,200bの出力電圧と基準電源222の基準電圧とを比較し、その誤差を増幅する。
三角波発生回路224は、第1のスイッチング素子207から第4のスイッチング素子210のそれぞれに供給するPWM信号を形成するための基準となる基準三角波を形成する。形成された基準三角波はコンパレータ225の一方に入力される。コンパレータ225では基準三角波と誤差増幅器223の出力とを比較し、PWM信号を形成する。コンパレータ225において形成されたPWM信号は分配器226において、2つの出力端子に交互に分配されて、第1のスイッチング素子207から第4のスイッチング素子210のそれぞれを駆動する。
As shown in FIG. 4, the voltage generated at the
The triangular
以上のように構成された従来のスイッチング電源装置について図5の動作波形図を参照してその動作を説明する。
図5において、(a)における波形Aは誤差増幅器223からの出力信号波形であり、(a)における波形Bは三角波発生回路224からの出力信号波形である。図5の(b)はコンパレータ225の出力信号波形である。図5の(c)は、第1のスイッチング素子207と第3のスイッチング素子209の駆動波形を示しており、(d)は第2のスイッチング素子209と第4のスイッチング素子210の駆動波形を示している。図5の(e)は第1のスイッチング素子207の印加電圧波形を示しており、(f)は第2のスイッチング素子208の印加電圧波形を示している。図5の(g)は第1のトランス211の1次巻線211a及び第2のトランス212の1次巻線212aの印加電圧波形を示しており、(h)は第1のチョークコイル215及び第2のチョークコイル219の電流波形を示している。
The operation of the conventional switching power supply device configured as described above will be described with reference to the operation waveform diagram of FIG.
In FIG. 5, a waveform A in (a) is an output signal waveform from the
図5の(c)及び(d)に示すように、第1のスイッチング素子207と第2のスイッチング素子208は、分配器226からの駆動信号により互いに180度の位相差で動作し、ほぼ同じデューティ比で同時にオン状態とならないようオンオフ動作する。
第1のスイッチング素子207がオン状態の時、第1のコンデンサ203の電圧が第1のトランス211の1次巻線211aに印加され、第2のスイッチング素子208がオン状態の時、第2のコンデンサ204の電圧が第1のトランス211の1次巻線211aに印加される。また、第1のスイッチング素子207がオン状態の時、第2のスイッチング素子208には第1のコンデンサ203の電圧と第2のコンデンサ204の電圧とを加算した電圧が印加され(図5の(f)参照)、第2のスイッチング素子208がオン状態の時、第1のスイッチング素子207には第1のコンデンサ203の電圧と第2のコンデンサ204の電圧とを加算した電圧が印加される(図5の(e)参照)。
As shown in FIGS. 5C and 5D, the first switching element 207 and the
When the first switching element 207 is on, the voltage of the
第1のスイッチング素子207と第2のスイッチング素子208が共にオフの時はそれぞれに第1のコンデンサ203の電圧及び第2のコンデンサ204の電圧が印加される。
第3のスイッチング素子209と第4のスイッチング素子210のオンオフ動作における印加電圧の推移に関しては、上記の第1のスイッチング素子207と第2のスイッチング素子208のオンオフ動作における印加電圧の推移と同様である。
When both the first switching element 207 and the
The transition of the applied voltage in the on / off operation of the third switching element 209 and the
第1のスイッチング素子207から第4のスイッチング素子210のデューティ比を略同じとすると、第1のコンデンサ203から第4のコンデンサ206のそれぞれの印加電圧は略同じになり、それぞれが入力直流電圧の1/4になる。したがって、各スイッチング素子207,208,209,210に対しては、入力直流電圧の半分の電圧しか印加されない。また、各トランス211,212の1次巻線211a,212aにも入力直流電圧の1/4の電圧しか印加されない。
第1のトランス211の2次巻線211b,211c及び第2のトランス212の2次巻線212b,212cで発生した電圧は、第1から第4の整流ダイオード213,214,217,218により整流され、第1のチョークコイル215と第2のチョークコイル219、及び平滑コンデンサ216により平滑される。
If the duty ratios of the first switching element 207 to the
The voltages generated in the
第1から第4のスイッチング素子207,208,209,210のオン期間のみ第1のトランス211の2次巻線211b,211c及び第2のトランス212の2次巻線212b,212cには、(1/4)・(Ns/Np)・Vinで示される電圧が発生する。ここで、Npは第1のトランス211の1次巻線211aと第2のトランス212の1次巻線212aの巻数であり、Nsは第1のトランス211の2次巻線211b,211cと第2のトランス212の2次巻線212b,212cの巻数である。また、Vinは入力直流電圧値を示す。したがって、第1から第4のスイッチング素子207,208,209,210のオン期間を調整して、第1のチョークコイル215と第2のチョークコイル219に印加される電圧と時間の積を変化させることにより、平滑後の出力電圧値を調整することが可能となる。
Only during the ON period of the first to
出力電圧は基準電源222の基準電圧と誤差増幅器223において比較され、その誤差は増幅されてコンパレータ225において基準三角波と比較されて、PWM信号にフィードバックされる。このように、図4に示した従来のスイッチング電源装置においては、出力電圧がフィードバックされて出力の安定が図られている。
上記のように入力側直流接続方式を用いた従来のスイッチング電源装置では、スイッチング素子に印加される電圧が入力電圧の半分であり、かつトランスの1次巻線に印加される電圧が入力電圧の1/4であるため、ハーフブリッジコンバータにおけるスイッチング素子の印加電圧とトランスの1次巻線の印加電圧を約半分に低減できる。この結果、従来のスイッチング電源装置では、低耐圧のスイッチング素子の使用とトランスの巻線数の低減が可能であった。
The output voltage is compared with the reference voltage of the
In the conventional switching power supply apparatus using the input side DC connection method as described above, the voltage applied to the switching element is half of the input voltage, and the voltage applied to the primary winding of the transformer is the input voltage. Since it is 1/4, the applied voltage of the switching element and the applied voltage of the primary winding of the transformer in the half-bridge converter can be reduced to about half. As a result, in the conventional switching power supply device, it is possible to use a switching element having a low withstand voltage and to reduce the number of windings of the transformer.
次に、従来のスイッチング電源装置における制御方法として用いられているカレントモード制御について説明する。
図6はカレントモード制御を降圧コンバータのスイッチング電源装置に適用した場合を示す回路図である。図6において、入力直流電源201からの入力直流電圧が入力端子202a,202bに供給されており、入力端子202a,202bの間にはコンデンサ227が接続されている。コンデンサ227には第1のスイッチング素子228と第2のスイッチング素子229の直列体が接続されており、第1のスイッチング素子228と第2のスイッチング素子229は交互にオンオフ動作を繰り返すよう構成されている。
図6に示すように、第1のスイッチング素子228と第2のスイッチング素子229の接続点にはチョークコイル230の一端が接続されており、チョークコイル230の他端には平滑コンデンサ231が接続されている。チョークコイル230と平滑コンデンサ231は直列に接続されており、平滑コンデンサ231の両端が出力端子232a,232bに接続されている。出力端子232a,232bに接続された負荷233に電力が供給されている。
Next, current mode control used as a control method in the conventional switching power supply apparatus will be described.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a case where current mode control is applied to a switching power supply device for a step-down converter. In FIG. 6, an input DC voltage from an input
As shown in FIG. 6, one end of the
上記のように構成された従来のスイッチング電源装置において、第1のスイッチング素子228がオン状態の時、入力電圧はチョークコイル230と平滑コンデンサ231の直列回路に印加される。第2のスイッチング素子229がオン状態の時、チョークコイル230と平滑コンデンサ231の直列回路は短絡される。
In the conventional switching power supply device configured as described above, when the
図6に示すように、正極側の出力端子232aに生じた電圧は第1の誤差増幅器235の一方に入力され、第1の誤差増幅器235の他方には基準電源234からの基準電圧が入力される。第1の誤差増幅器235は、出力端子232a,232bの出力電圧と基準電源234の基準電圧とを比較し、その誤差を増幅して第2の誤差増幅器237に出力する。電流検出器236は、チョークコイル230に流れる電流を検出して、第2の誤差増幅器237へ出力する。第2の誤差増幅器237では、第1の誤差増幅器235の出力と電流検出器236の出力とを比較し、その誤差を増幅してコンパレータ239へ出力する。コンパレータ239において、三角波発生器238からの基準三角波と第2の誤差増幅器237の出力とを比較し、PWM信号を形成する。このPWM信号により第1のスイッチング素子228のオン期間が決定され、第1のスイッチング素子228が駆動される。インバータ240は、コンパレータ239からのPWM信号を反転し、第2のスイッチング素子229を駆動する。
As shown in FIG. 6, the voltage generated at the
次に、図6に示した構成の従来のスイッチング電源装置における動作について説明する。
状態平均化法を用いると第1のスイッチング素子228と第2のスイッチング素子229の直列回路により、入力電圧Vinがデューティ比Dの分だけチョークコイル230と平滑コンデンサ231の直列回路に印加されると考えられるので以下の式(1)から(3)で示す状態方程式が成立する。ここで、voutは出力電圧を示し、iLは出力電流(チョークコイル電流)を示す。そして出力電流iLと出力電圧voutのラプラス変換をIとVとする。
Next, the operation of the conventional switching power supply having the configuration shown in FIG. 6 will be described.
When the state averaging method is used, when the input voltage Vin is applied to the series circuit of the
なお、Iは式(4)で示され、Vは式(5)で示される。 In addition, I is shown by Formula (4) and V is shown by Formula (5).
式(5)に示すように、出力電圧に対しては2次遅れとなり位相が最大180度遅れる。しかしながら、式(4)に示すように、出力電流であるチョークコイル電流に関しては、共振点で多少位相遅れが生じるが、分子が1次であるため、ほぼ90度の位相遅れとなる。したがって、チョークコイル電流のPWM制御は出力電圧のPWM制御に比べて大幅に安定することが分かる。図6に示した従来のスイッチング電源装置におけるカレントモード制御は、チョークコイル230の電流制御をPWMにより行い、その際用いる基準信号として、出力電圧と基準電圧との誤差信号を増幅して用いている。チョークコイル電流と出力電圧の関係は、次式(6)のように示される。
As shown in Expression (5), the output voltage becomes a second-order lag and the phase is delayed by a maximum of 180 degrees. However, as shown in Equation (4), the choke coil current that is the output current has a slight phase lag at the resonance point, but has a phase lag of approximately 90 degrees because the numerator is first order. Therefore, it can be seen that the PWM control of the choke coil current is significantly more stable than the PWM control of the output voltage. In the current mode control in the conventional switching power supply device shown in FIG. 6, the current control of the
このように構成されたカレントモード制御における電流制御ループは、位相遅れが小さく安定であり、利得を大きく設定できるという特徴を有する。この電流制御ループは、基本的に1次遅れ系を構成しているので広帯域化しても位相遅れによる発振現象が生じないという特徴を持つ。このようにカレントモード制御で構成することにより、基準信号から出力電流であるチョークコイル電流までの伝達特性がほとんど遅れ無しとなる。このため、電圧制御系のループゲインは一般的なPI制御により安定な制御系を構築できる。
以上のように、従来のスイッチング電源装置においては、複数のスイッチング電源回路の入力側直列接続方式では低耐圧のスイッチング素子の使用とトランスの巻線数の低減が可能である。しかし、従来のスイッチング電源装置においては、出力電圧の安定性の点で問題を有していた。一方、カレントモード制御方式では出力は安定するが入力電圧に応じた耐圧を有するスイッチング素子を使用しなければならないという問題があった。
しかしながら、スイッチング電源装置の分野においては、出力電圧の高安定性の要求とともに、複数のスイッチング電源回路の入力側直列接続方式とカレントモード制御方式とを同時に実施する要求が高まってきている。複数のスイッチング電源回路の直列接続とカレントモード制御を同時に実施しようとすると、コンバータであるそれぞれのスイッチング電源回路の電流値を、出力電圧と基準電圧との誤差信号を用いて電流の基準値に対応するよう制御しなければならない。ここで、各コンバータのデューティ比に差が生じた場合の各コンバータ間の電流バランスの変化について考察する。即ち、入力側直列接続された2つのコンバータをそれぞれA、Bとして、各デューティ比をDa、Dbとする。また、各コンバータA,Bのスイッチング素子がオン状態の時に流れる電流は、各コンバータA,Bのチョークコイルを流れる電流によって決定され、それぞれのスイッチング素子に流れる電流(1次電流)をIsaとIsbとする。2つのコンバータA,Bが直列接続されているので、安定状態では次式(7)が成り立つ。
As described above, in the conventional switching power supply device, it is possible to use a switching element having a low withstand voltage and to reduce the number of windings of the transformer in the input side series connection system of a plurality of switching power supply circuits. However, the conventional switching power supply device has a problem in terms of output voltage stability. On the other hand, the current mode control method has a problem that the output is stable, but a switching element having a withstand voltage corresponding to the input voltage must be used.
However, in the field of switching power supply devices, with the demand for high output voltage stability, there are increasing demands for simultaneously implementing the input-side series connection method and the current mode control method for a plurality of switching power supply circuits. If you try to implement a series connection of multiple switching power supply circuits and current mode control at the same time, the current value of each switching power supply circuit that is a converter corresponds to the current reference value using an error signal between the output voltage and the reference voltage. You have to control it. Here, a change in current balance between the converters when a difference occurs in the duty ratio of the converters will be considered. That is, the two converters connected in series on the input side are A and B, and the duty ratios are Da and Db. The current that flows when the switching elements of the converters A and B are in the ON state is determined by the current that flows through the choke coils of the converters A and B, and the currents (primary currents) that flow through the switching elements are Isa and Isb. And Since the two converters A and B are connected in series, the following expression (7) is established in the stable state.
したがって、一方のコンバータのデューティ比が他方のコンバータのデューティ比に対して相対的に大きくなると、一方のコンバータの1次電流が小さくなることで、平衡が保たれる。即ち、デューティ比が大きくなると、そのコンバータの1次電流が小さくなるという動作になる。この動作はコンバータ全体から見ると、出力電流を増加させるためには、デューティ比を大きくしなければならず矛盾が生じる。結果的には、個別の電流制御が正帰還になるため、バランスが取れなくなる。そして、複数のコンバータを直列接続した時の電圧のバランスがくずれ、一方のコンバータにおいて過大な電圧が印加されるという重大な問題が生じる。 Therefore, when the duty ratio of one converter becomes relatively large with respect to the duty ratio of the other converter, the primary current of one converter becomes small, so that equilibrium is maintained. That is, when the duty ratio increases, the primary current of the converter decreases. When this operation is viewed from the whole converter, in order to increase the output current, the duty ratio must be increased, resulting in a contradiction. As a result, since individual current control becomes positive feedback, it becomes impossible to balance. And the balance of the voltage when a plurality of converters are connected in series is lost, and a serious problem arises that an excessive voltage is applied to one converter.
したがって、従来のスイッチング電源装置においては、複数のスイッチング電源回路の入力側直列接続方式に対して、カレントモード制御方式を適用しようとした場合、コンバータ間の電流電圧のバランスが取れなくなるという問題が有り、スイッチング電源回路の入力側直列接続方式とカレントモード制御方式とを一つの装置内で同時に実施するという課題は達成できなかった。
本発明は、スイッチング電源回路の入力側直列接続方式とカレントモード制御方式とを一つの装置内で同時に実施するという課題を達成し、複数のスイッチング電源回路を直列に接続しても、従来のカレントモード制御の特性を損なうことがなく、電流のバランスも良好に保つことのできる高安定で小型高効率なスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
Therefore, in the conventional switching power supply device, there is a problem that when the current mode control method is applied to the input side series connection method of a plurality of switching power supply circuits, the current voltage between the converters cannot be balanced. The problem of simultaneously executing the input side series connection method and the current mode control method of the switching power supply circuit in one device could not be achieved.
The present invention achieves the problem of simultaneously implementing an input side series connection method and a current mode control method of a switching power supply circuit in one device, and even if a plurality of switching power supply circuits are connected in series, An object of the present invention is to provide a highly stable, small, and highly efficient switching power supply device that can maintain a good current balance without impairing mode control characteristics.
上記の目的を達成するために本発明に係るスイッチング電源装置は、
入力側が直列に接続されて出力側が並列に接続され、複数のスイッチング手段と変圧手段と整流手段とによりそれぞれが構成されて単一出力直流電圧を出力する複数のコンバータ、
前記コンバータから出力された単一出力直流電圧と基準電圧とを比較して第1の誤差信号を形成し、当該第1の誤差信号を増幅した電流基準信号を出力する第1の誤差増幅器、
前記複数のコンバータにおける前記整流手段から出力される電流を加算して単一出力電流信号を形成する演算器、
前記演算器の単一出力電流信号と前記第1の誤差増幅器から出力された前記電流基準信号とを比較して第2の誤差信号を形成し、増幅する第2の誤差増幅器、及び
前記第2の誤差増幅器の出力信号を基にPWM信号を形成し、前記複数のコンバータを各整流手段から出力される電流を基に個別に制御しないように、前記複数のスイッチング手段のそれぞれを前記電流基準信号に対応する前記PWM信号によりPWM制御する複数のPWM信号発生器、を有する。このように構成された本発明のスイッチング電源装置は、複数のコンバータを入力側直列に接続しても、カレントモード制御の特性を損なうことがなく、電流のバランスを良好に保つことのできる高安定で小型高効率な電源装置を提供することができる。
In order to achieve the above object, a switching power supply device according to the present invention includes:
A plurality of converters, in which the input side is connected in series and the output side is connected in parallel, each of which is constituted by a plurality of switching means, a transforming means, and a rectifying means to output a single output DC voltage;
A first error amplifier that compares the single output DC voltage output from the converter with a reference voltage to form a first error signal and outputs a current reference signal obtained by amplifying the first error signal ;
An arithmetic unit that adds the currents output from the rectifiers in the plurality of converters to form a single output current signal;
A second error amplifier that compares the single output current signal of the computing unit with the current reference signal output from the first error amplifier to form and amplify a second error signal; and the PWM signal is formed based on the output signal of the error amplifier, said plurality of converters to not controlled individually on the basis of the current output from the rectifying means, said current reference signal to each of said plurality of switching means A plurality of PWM signal generators that perform PWM control using the PWM signal corresponding to The switching power supply device of the present invention configured as described above is highly stable and can maintain a good current balance without impairing the characteristics of current mode control even when a plurality of converters are connected in series on the input side. Thus, a small and highly efficient power supply device can be provided.
本発明に係るスイッチング電源装置の制御方法は、
入力側が直列に接続されて出力側が並列に接続され、複数のスイッチング手段と変圧手段と整流手段とによりそれぞれが構成されて単一出力直流電圧を出力する複数のコンバータ、を有するスイッチング電源装置において、
前記単一出力直流電圧と基準電圧とを比較して第1の誤差信号を形成し、当該第1の誤差信号を増幅した電流基準信号を出力するステップと、
前記複数のコンバータにおける前記整流手段から出力される電流を加算して単一出力電流信号を形成するステップと、
前記単一出力電流信号と前記電流基準信号とを比較して第2の誤差信号を形成し、増幅するステップと、
増幅された第2の誤差信号を基にPWM信号を形成し、前記複数のコンバータを各整流手段から出力される電流を基に個別に制御しないように、前記複数のスイッチング手段のそれぞれを前記電流基準信号に対応する前記PWM信号によりPWM制御するステップと、を有する。このようなステップを有する本発明のスイッチング電源装置の制御方法は、複数のコンバータを入力側直列に接続しても、カレントモード制御の特性を損なうことがなく、高安定で電流のバランスを良好に保つことができる。
また、本発明に係る他の観点のスイッチング電源装置は、
入力側が直列に接続されて出力側が並列に接続され、複数のスイッチング手段と変圧手段と整流手段とによりそれぞれが構成されて単一出力直流電圧を出力する複数のコンバータ、
前記コンバータから出力された単一出力直流電圧と基準電圧とを比較して第1の誤差信号を形成し、当該第1の誤差信号を増幅した電流基準信号を出力する第1の誤差増幅器、
前記複数のコンバータのいずれか一つのコンバータにおける前記整流手段から出力される電流信号と前記第1の誤差増幅器から出力された前記電流基準信号とを比較して第2の誤差信号を形成し、増幅する第2の誤差増幅器、及び
前記第2の誤差増幅器の出力信号を基にPWM信号を形成し、前記複数のコンバータを各整流手段から出力される電流を基に個別に制御しないように、前記複数のスイッチング手段のそれぞれを前記電流基準信号に対応する前記PWM信号によりPWM制御する複数のPWM信号発生器、を有する。
発明の新規な特徴は添付の請求の範囲に特に記載したものに他ならないが、構成及び内容の双方に関して本発明は、他の目的や特徴と合わせて図面と共に以下の詳細な説明を読むことにより、より良く理解され評価されるであろう。
The control method of the switching power supply device according to the present invention includes:
In a switching power supply apparatus having a plurality of converters, each having an input side connected in series and an output side connected in parallel, each of which is constituted by a plurality of switching means, a transformer means, and a rectifier means to output a single output DC voltage.
Comparing the single output DC voltage with a reference voltage to form a first error signal, and outputting a current reference signal obtained by amplifying the first error signal ;
Adding the current output from the rectifiers in the plurality of converters to form a single output current signal;
Comparing the single output current signal with the current reference signal to form and amplify a second error signal;
Based on the second error signal amplified to form a PWM signal, a plurality of converters to not controlled individually on the basis of the current output from the rectifying means, said current each of said plurality of switching means And PWM control using the PWM signal corresponding to the reference signal . The control method of the switching power supply apparatus of the present invention having such steps is highly stable and has a good current balance without impairing the characteristics of the current mode control even when a plurality of converters are connected in series on the input side. Can keep.
In addition, a switching power supply device according to another aspect of the present invention includes:
A plurality of converters, in which the input side is connected in series and the output side is connected in parallel, each of which is constituted by a plurality of switching means, a transforming means, and a rectifying means to output a single output DC voltage;
A first error amplifier that compares the single output DC voltage output from the converter with a reference voltage to form a first error signal and outputs a current reference signal obtained by amplifying the first error signal ;
A current signal output from the rectifying means in any one of the plurality of converters is compared with the current reference signal output from the first error amplifier to form a second error signal and amplified A second error amplifier, and
A PWM signal is formed on the basis of an output signal of the second error amplifier, and each of the plurality of switching means is controlled so as not to individually control the plurality of converters based on currents output from the respective rectifying means. A plurality of PWM signal generators that perform PWM control using the PWM signal corresponding to the current reference signal;
The novel features of the invention are nonetheless specifically set forth in the appended claims, but the invention, both in terms of structure and content, should be read in conjunction with the drawings and in the detailed description that follows. Will be better understood and appreciated.
本発明においては、スイッチング電源回路の入力側直列接続方式とカレントモード制御方式とを一つの装置内で同時に実施するという課題を達成し、複数のスイッチング電源回路を直列に接続しても、従来のカレントモード制御の特性を損なうことがなく、電流のバランスも良好に保つことのできる高安定で小型高効率なスイッチング電源装置及びその制御方法を提供することができる。
本発明のスイッチング電源装置は、複数のスイッチング電源回路の入力側を直列に接続し、出力側を並列に接続して、制御部によりカレントモード制御を行っても、不安定な動作にならず安定な制御が可能であるという優れた効果を奏する。
本発明のスイッチング電源装置の制御方法は、複数のコンバータを直列に接続しても、カレントモード制御の特性を損なうことがなく、高安定で電流のバランスを良好に保つことができるという優れた効果を奏する。
In the present invention, the problem of simultaneously performing the input side series connection method and the current mode control method of the switching power supply circuit in one device is achieved, and even if a plurality of switching power supply circuits are connected in series, It is possible to provide a highly stable, small and highly efficient switching power supply device and a control method thereof that can maintain a good current balance without impairing the characteristics of current mode control.
The switching power supply device of the present invention is stable without unstable operation even when the input side of a plurality of switching power supply circuits is connected in series and the output side is connected in parallel and current mode control is performed by the control unit. Excellent control is possible.
The switching power supply control method of the present invention has an excellent effect that even if a plurality of converters are connected in series, the current mode control characteristics are not impaired, and the current balance can be kept high and stable. Play.
以下、本発明に係るスイッチング電源装置及びその制御方法を示す好適な実施の形態について添付の図面を参照しつつ説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment showing a switching power supply device and a control method thereof according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
《実施の形態1》
図1は本発明に係る実施の形態1のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。図1において、入力直流電源1からの入力直流電圧は、入力端子2a,2bに供給されており、入力端子2a,2bには複数のコンデンサ3,4,5,6の直列回路が接続されており、各コンデンサ3,4,5,6により入力端子2a,2bに印加された入力直流電圧を分割している。以下の説明において、入力端子2a,2bに接続された複数のコンデンサ3,4,5,6のそれぞれを第1のコンデンサ3、第2のコンデンサ4、第3のコンデンサ5、及び第4のコンデンサ6と称す。第1のコンデンサ3と第2のコンデンサ4の直列回路の両端には第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8の直列回路が接続され、第3のコンデンサ5と第4のコンデンサ6の直列回路の両端には第3のスイッチング素子9と第4のスイッチング素子10の直列回路が接続されている。
Embodiment 1
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a switching power supply according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, an input DC voltage from an input DC power source 1 is supplied to input
第1のトランス11は、1次巻線11aと第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cとを有している。1次巻線11aの一端は第1のコンデンサ3と第2のコンデンサ4の接続点に接続されており、1次巻線11aの他端は第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8の接続点に接続されている。第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cは直列接続である。
第2のトランス12は、1次巻線12aと第1の2次巻線12bと第2の2次巻線12cとを有している。1次巻線12aの一端は第3のコンデンサ5と第4のコンデンサ6の接続点に接続されており、1次巻線12aの他端は第3のスイッチング素子9と第4のスイッチング素子10の接続点に接続されている。第1の2次巻線12bと第2の2次巻線12cは直列接続である。
The
The
第1のトランス11の第1の2次巻線11bには第1の整流ダイオード13のアノードが接続されており、第2の2次巻線11cには第2の整流ダイオード14のアノードが接続されている。第1の整流ダイオード13と第2の整流ダイオード14のそれぞれのカソードは互いに接続されている。このように、第1の整流ダイオード13と第2の整流ダイオード14が第1のトランス11に接続されており、第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cに発生する交流電流を整流している。
図1に示すように、第1のチョークコイル15と平滑コンデンサ16の直列回路の一端は、第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cとの接続点に接続されており、この直列回路の他端は第1の整流ダイオード13と第2の整流ダイオード14の接続点(カソード)に接続されている。
The anode of the
As shown in FIG. 1, one end of the series circuit of the
第2のトランス12の第1の2次巻線12bには第3の整流ダイオード17のアノードが接続されており、第2の2次巻線12cには第4の整流ダイオード18のアノードが接続されている。第3の整流ダイオード17と第4の整流ダイオード18のそれぞれのカソードは互いに接続されている。このように、第3の整流ダイオード17と第4の整流ダイオード18が第2のトランス12に接続されており、第1の2次巻線12bと第2の2次巻線12cに発生する交流電流を整流している。
第2のチョークコイル19の一端は第3の整流ダイオード17と第4の整流ダイオード18の接続点(カソード)に接続されており、他端は平滑コンデンサ16の一端に接続されている。平滑コンデンサ16の両端は出力端子20a,20bに接続されており、出力端子20a,20bに接続された負荷21に電力が供給される。
The anode of the third rectifier diode 17 is connected to the first secondary winding 12b of the
One end of the second choke coil 19 is connected to the connection point (cathode) of the third rectifier diode 17 and the
図1に示すように、正極側の出力端子20aに生じた電圧は第1の誤差増幅器23の一方に入力され、第1の誤差増幅器23の他方には基準電源22からの基準電圧が入力される。第1の誤差増幅器23は、出力端子20a,20bの出力電圧と基準電源22の基準電圧とを比較し、その誤差を増幅する。
第1の電流検出器24は第1のチョークコイル15に流れる電流を検出し、第2の電流検出器25は第2のチョークコイル19に流れる電流を検出する。演算器である加算器26は、第1の電流検出器24の出力と第2の電流検出器25の出力とを加算して単一電流信号を形成し、第2の誤差増幅器27へ出力する。第2の誤差増幅器27では第1の誤差増幅器23の出力と加算器26の出力とを比較し、その誤差を増幅する。
As shown in FIG. 1, the voltage generated at the
The first
第1の三角波発生器28は、第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8のそれぞれに供給する第1のPWM信号を形成するための基準となる第1の基準三角波信号を生成する。第1の三角波発生器28からの第1の基準三角波信号は第1のコンパレータ30の一方の入力端子に供給される。第1のコンパレータ30では第1の基準三角波信号と第2の誤差増幅器27からの出力信号とを比較して第1のPWM信号を形成する。第1のコンパレータ30において形成された第1のPWM信号は第1の分配器31において、2つの出力端子に交互に分配されて、第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8のそれぞれを駆動する。
The first
第2の三角波発生器29は、第3のスイッチング素子9と第4のスイッチング素子10のそれぞれに供給する第2のPWM信号を形成するための基準となる第2の基準三角波信号を生成する。第2の三角波発生器29からの第2の基準三角波信号は第2のコンパレータ32の一方の入力端子に供給される。第2のコンパレータ32では第2の基準三角波信号と第2の誤差増幅器27からの出力信号とを比較して第2のPWM信号を形成する。第2のコンパレータ32において形成された第2のPWM信号は第2の分配器33において、2つの出力端子に交互に分配されて、第3のスイッチング素子9と第4のスイッチング素子10のそれぞれを駆動する。
The second
実施の形態1のスイッチング電源装置において、第1のコンデンサ3、第2のコンデンサ4、第1のスイッチング素子7、第2のスイッチング素子8、第1のトランス11、第1の整流ダイオード13、第2の整流ダイオード14、第1のチョークコイル15、及び平滑コンデンサ16により第1のハーフブリッジコンバータ100が構成されている。
また、実施の形態1のスイッチング電源装置においては、第3のコンデンサ5、第4のコンデンサ6、第3のスイッチング素子9、第4のスイッチング素子10、第2のトランス12、第3の整流ダイオード17、第4の整流ダイオード18、第2のチョークコイル19、及び平滑コンデンサ16により第2のハーフブリッジコンバータ101が構成されている。図1に示した実施の形態1のスイッチング電源装置においては、平滑コンデンサ16が第1のハーフブリッジコンバータ100と第2のハーフブリッジコンバータ101に共有されている。
In the switching power supply device of the first embodiment, the
In the switching power supply device of the first embodiment, the third capacitor 5, the fourth capacitor 6, the third switching element 9, the
実施の形態1のスイッチング電源装置においては、第1のハーフブリッジコンバータ100と第2のハーフブリッジコンバータ101は制御部により駆動制御されており、制御部は第1の誤差増幅器23、第1の電流検出器24、第2の電流検出器25、加算器26、第2の誤差増幅器27、第1のPWM信号発生器103、及び第2のPWM信号発生器104により構成されている。ここで、第1のPWM信号発生器103は第1の三角波発生器28、第1のコンパレータ30、及び第1の分配器31により構成されており、第2のPWM信号発生器104は第2の三角波発生器29、第2のコンパレータ32、及び第2の分配器33により構成されている。
In the switching power supply according to the first embodiment, the first half-
以上のように構成された実施の形態1のスイッチング電源装置における動作について図2を参照して説明する。図2は実施の形態1のスイッチング電源装置における各部の信号波形図である。
図2において、(a)における波形Aは第2の誤差増幅器27からの出力信号波形であり、(a)における波形Bは第2の三角波発振器29からの出力信号波形である。図2の(b)における波形Cは第2の誤差増幅器27からの出力信号波形であり、(b)における波形Dは第1の三角波発振器28の出力信号波形である。図2の(c)は第1のスイッチング素子7の駆動波形を示しており、(d)は第2のスイッチング素子8の駆動波形を示している。図2の(e)は第3のスイッチング素子9の駆動波形を示しており、(f)は第4のスイッチング素子10の駆動波形を示している。図2の(g)は第1のトランス11の1次巻線11aの印加電圧波形を示しており、(h)は第2のトランス12の1次巻線12aの印加電圧波形を示している。図2の(i)は第1のチョークコイル15の電流波形を示しており、(j)は第2のチョークコイル19の電流波形を示している。図2の(k)は加算器26から出力された電圧波形を示している。
The operation of the switching power supply device according to the first embodiment configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a signal waveform diagram of each part in the switching power supply device of the first embodiment.
In FIG. 2, a waveform A in (a) is an output signal waveform from the
図2において、時刻T0で第1のスイッチング素子7がオン状態になると、第1のコンデンサ3の保持している電圧が第1のトランス11の1次巻線11aに印加される。この時、第1のトランス11の第1の2次巻線11bに巻数比に応じた電圧が発生し、第1の整流ダイオード13をオン状態とする。このため、第1のチョークコイル15に電圧が印加され、第1のチョークコイル15の電流は増加していく。
時刻T3で第1のスイッチング素子7がオフ状態になると、第1のトランス11の1次巻線11aは開放状態となり電流はゼロになる。これにより、第1のトランス11の第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cには、第1のチョークコイル15の電流が分割して流れるため、第1の整流ダイオード13と第2の整流ダイオード14はオン状態となり、第1のトランス11の1次巻線11aと第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cに発生する電圧はゼロになる。したがって、第1のチョークコイル15と平滑コンデンサ16の直列回路の印加電圧は0Vになるため、第1のチョークコイル15の電圧は減少する。
In FIG. 2, when the first switching element 7 is turned on at time T <b> 0, the voltage held by the
When the first switching element 7 is turned off at time T3, the primary winding 11a of the
時刻T4で第2のスイッチング素子8がオン状態となると、第1のトランス11の1次巻線11aには第2のコンデンサ4の電圧が印加される。この時の電圧は時刻T0からT3の時とは逆向きの電圧になる。したがって、トランス11の第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cにも逆向きの電圧が発生し、第1の整流ダイオード13をオフ状態にする。この時、第1のチョークコイル15にはオン状態である第2の整流ダイオード14を介して第1のトランス11の巻数比に応じた電圧が誘起され、第1のチョークコイル15を流れる電流は増加する。
時刻T7で第2のスイッチング素子8がオフ状態となると、第1のトランス11の1次巻線11aは開放状態となり、電流はゼロになる。第1のチョークコイル15の電流は第1のトランス11の第1の2次巻線11bと第2の2次巻線11cを分割して流れるため、第1の整流ダイオード13と第2の整流ダイオード14をオン状態とする。この時、第1のトランス11の全ての巻線に印加される電圧はゼロになる。この時、第1のチョークコイル15と平滑コンデンサ16の直列回路には0Vが印加されるので第1のチョークコイル15の電流は減少する。
When the
When the
以上のように、実施の形態1のスイッチング電源装置の第1のハーフブリッジコンバータ100は動作しており、同様な動作を、第3のコンデンサ5、第4のコンデンサ6、第3のスイッチング素子9、第4のスイッチング素子10、第2のトランス12、第3の整流ダイオード17、第4の整流ダイオード18、第2のチョークコイル19、平滑コンデンサ16で構成された第2のハーフブリッジコンバータ101において行われる。したがって、第2のハーフブリッジコンバータ101の詳細動作説明は省略する。但し、第1のハーフブリッジコンバータ100と第2のハーフブリッジコンバータ101は同期して動作しており、さらに、それぞれにおける基準信号である第1の三角波発振器28と第2の三角波発振器29からの基準三角波信号は、互いに180度の位相差を有している。したがって、実施の形態1のスイッチング電源装置の第1のハーフブリッジコンバータ100と第2のハーフブリッジコンバータ101の2次側においても、180度の位相差を有して動作し、第1のチョークコイル15を流れる電流と第2のチョークコイル19を流れる電流が加算されて出力される構成であるため、それぞれにおいて生じるリップルは相殺され小さくなる。
As described above, the first half-
次に、実施の形態1のスイッチング電源装置の制御部について説明する。制御部は第1のハーフブリッジコンバータ100と第2のハーフブリッジコンバータ101とを駆動制御する部分であり、第1の誤差増幅器23、第1の電流検出器24、第2の電流検出器25、加算器26、第2の誤差増幅器27、第1のPWM信号発生器103、及び第2のPWM信号発生器104により構成されている。
Next, the control unit of the switching power supply device according to the first embodiment will be described. The control unit is a part that drives and controls the first half-
実施の形態1のスイッチング電源装置においては、第1のチョークコイル15に流れる電流と第2のチョークコイル19に流れる電流は加算され、平滑コンデンサ16により平滑されて単一の出力電流となる構成である。また、実施の形態1においては、加算器26により第1の電流検出器24により検出した電流と第2の電流検出器25により検出した電流が加算されている。したがって、加算器26の出力は平滑コンデンサ16の充電電流を示している。第1の誤差増幅器23においては、出力端子20a,20bの出力電圧と基準電源22の基準電圧とを比較して、その誤差を増幅し、電流基準信号としている。この電流基準信号と加算器26からの出力信号とを第2の誤差増幅器27において比較して、その誤差を増幅し、その差が小さくなるようPWM制御を行っている。PWM制御の基準となる基準三角波信号は、第1の三角波発生器30及び第2の三角波発生器32から互いに180度の位相差を有して出力され、各スイッチング素子のオンオフのタイミングを変化させ、出力端でリップル電流をキャンセルするよう設定されている。
In the switching power supply device of the first embodiment, the current flowing through the
第1の三角波発振器28の出力と第2の誤差増幅器27の出力とを比較して得られた第1のPWM信号は、第1の分配器31によって2つに分配される。第1の分配器31は分配された第1のPWM信号により第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8を駆動する。このように、第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8は、第1の分配器31により第1のPWM信号を分配して駆動する構成であるため、第1のスイッチング素子7と第2のスイッチング素子8が同時にオン状態となることがない。
同様に、第2の三角波発振器29の出力と第2の誤差増幅器27の出力とを比較して得られた第2のPWM信号は、第2の分配器33によって2つに分配される。第2の分配器33は分配された第2のPWM信号により第3のスイッチング素子9と第4のスイッチング素子10を駆動する。このように、第3のスイッチング素子9と第4のスイッチング素子10は、第2の分配器33により第2のPWM信号を分配して駆動する構成であるため、第3のスイッチング素子9と第4のスイッチング素子10が同時にオン状態となることがない。
The first PWM signal obtained by comparing the output of the first
Similarly, the second PWM signal obtained by comparing the output of the second
上記のように、実施の形態1のスイッチング電源装置においては、第1のハーフブリッジコンバータ100と第2のハーフブリッジコンバータ101のそれぞれの出力電流の和が、電流基準信号に対応するよう制御される構成である。このため、実施の形態1のスイッチング電源装置は、第1のハーフブリッジコンバータ100と第2のハーフブリッジコンバータ101のそれぞれを個別に電流基準信号に合わせて制御する構成とはなっていない。したがって、前述の従来技術の欄で説明した従来のスイッチング電源装置において、各コンバータのそれぞれを個別に制御した場合、デューティ比が変化した時に電流がそれに応じて変化する、例えばデューティ比が増加(減少)した時に電流が減少(増加)するという現象は、実施の形態1のスイッチング電源装置において発生しない。このため、実施の形態1のスイッチング電源装置は、常に安定した出力電流が形成され、出力電流の制御が可能となる。
As described above, in the switching power supply device of the first embodiment, the sum of the output currents of the first half-
なお、実施の形態1のスイッチング電源装置においては、第1の電流検出器24と第2の電流検出器25の各出力が加算器26によって加算され、その加算結果が第2の誤差増幅器27に入力される構成である。しかし、本発明において用いる加算器としては厳密な意味の加算回路である必要はなく、加算器26や第2の誤差増幅器27の動作点の確保に必要なオフセットを有しているものであっても良い。このようなものを用いてもスイッチング電源装置におけるスイッチング制御動作に影響を与えることがない。また、加算器の代わりに単調な増加もしくは単調な減少の関数である非線形の演算器を用いても、各コンバータを個別に電流制御する構成ではないため、出力が不安定にならないという本発明の効果は保たれる。単調増加の関数と単調減少の関数y=f(x1,x2)は以下の不等式(8)で表される。
In the switching power supply device of the first embodiment, the outputs of the first
特に、加算器や積算器等のおのおのの入力に対して対称な関数を用いたとき、各コンバータによって異なる電流信号のリップルの位相差を無くすことができ、より安定な動作になる。例えば、2つのコンバータにより構成されたスイッチング電源装置において、2つのコンバータからの出力(x1,x2)が演算器に入力される場合、演算器の出力が式(9)で示されるとすると、本発明における演算器は式(10)で示す条件を有する。 In particular, when a symmetric function is used with respect to each input of an adder, an integrator, etc., the phase difference of the ripple of the current signal that differs depending on each converter can be eliminated, and the operation becomes more stable. For example, when the output (x1, x2) from the two converters is input to the arithmetic unit in the switching power supply device constituted by the two converters, if the output of the arithmetic unit is expressed by Expression (9), The computing unit in the invention has the condition shown by the equation (10).
即ち、本発明における演算器は、2つのコンバータからの出力(x1,x2)が入れ代わって演算器に入力されても、演算器の出力が同じとなるという条件を満たしている。
特に、2つのコンバータのいずれか一方の入力を用いる場合でも安定な動作が可能になる。
同様に実施の形態2で示すように演算器に対して3つ以上の入力がある場合には、それぞれの条件は入力値の組み合わせが同じときに出力が同じとなる条件と、全ての入力に対して単調増加または単調減少になる条件となる。また、特に加算器を用いることで、電流値によって、演算器の利得が変化することが無くなり、容易に制御回路の調整が可能になる特徴がある。
That is, the arithmetic unit in the present invention satisfies the condition that the outputs of the arithmetic units are the same even if the outputs (x1, x2) from the two converters are switched and input to the arithmetic unit.
In particular, stable operation is possible even when one of the two converters is used.
Similarly, as shown in the second embodiment, when there are three or more inputs to the computing unit, each condition is a condition that the output is the same when the combination of input values is the same, and all the inputs are On the other hand, it is a condition that monotonously increases or monotonously decreases. In particular, by using an adder, there is a feature that the gain of the arithmetic unit does not change depending on the current value, and the control circuit can be easily adjusted.
なお、実施の形態1においては、加算器または演算器を用いる例について説明したが、これらを用いることなく、2つのコンバータのいずれかの出力を直接的に第2の誤差増幅器27に入力する構成、すなわち、第1の電流検出器24または第2の電流検出器25のいずれかの検出信号を第2の誤差増幅器27に入力する構成であっても構わない。
In the first embodiment, an example using an adder or an arithmetic unit has been described. However, a configuration in which the output of one of the two converters is directly input to the
以上、実施の形態1においては、コンバータとしてハーフブリッジコンバータを例にとって説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、他のフォワード形、ブリッジ形、プッシュプル形に代表されるスイッチングコンバータを用いて、入力側(1次側)を直列接続し、出力側(2次側)を並列接続した時にも同様な制御系の構成が可能であり、安定な動作が可能となる。特に、コンバータとしてハーフブリッジコンバータを用いた場合には、入力側直列接続方式によるトランスの1次巻線の低減に加えて、ハーフブリッジコンバータはトランスの1次巻線に印加される電圧が小さくなるので、トランスの小型化に特に効果がある。 As described above, in the first embodiment, the half-bridge converter is described as an example of the converter. However, the present invention is not limited to such a configuration, and is represented by other forward type, bridge type, and push-pull type. Even when the input side (primary side) is connected in series and the output side (secondary side) is connected in parallel using a switching converter, a similar control system configuration is possible and stable operation is possible. . In particular, when a half bridge converter is used as the converter, in addition to the reduction of the primary winding of the transformer by the input side series connection method, the voltage applied to the primary winding of the transformer becomes small in the half bridge converter. Therefore, it is particularly effective for reducing the size of the transformer.
以上のように、本発明のスイッチング電源装置では、入力側の直列接続によるスイッチング素子への印加電圧の削減効果に加え、カレントモード制御の高い安定性を実現できる。特に、例えばマイクロプロセッサなど半導体装置に給電する電源においては、機器の各部に対して電力を分配する比較的高いバス電圧(例えば48V)から、安定度の高い低い電圧(例えば1V)で大電流(例えば100A)へ変換する必要がある。本発明のスイッチング電源装置においては、このように変換することができる構成である。本発明のスイッチング電源装置は、入力回路を直列に接続することにより、高いバス電圧に対応することができるとともに、カレントモード制御により、高い安定性を達成することができるため、特に半導体装置の電源装置として有効である。 As described above, the switching power supply device of the present invention can realize high stability of current mode control in addition to the effect of reducing the voltage applied to the switching element by the serial connection on the input side. In particular, in a power supply for supplying power to a semiconductor device such as a microprocessor, a large current (e.g., 1 V) from a relatively high bus voltage (e.g., 48 V) that distributes power to each part of the device is used. For example, it is necessary to convert to 100A). The switching power supply device of the present invention has a configuration that can be converted in this way. The switching power supply device of the present invention can cope with a high bus voltage by connecting input circuits in series, and can achieve high stability by current mode control. It is effective as a device.
《実施の形態2》
図3は本発明に係る実施の形態2のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。実施の形態2のスイッチング電源装置において、実施の形態1のスイッチング電源装置と異なる点は、コンバータとして用いているハーフブリッジコンバータの構成の数である。実施の形態1においては2つのハーフブリッジコンバータにより構成されており、実施の形態2においては3つのハーフブリッジコンバータにより構成されている。各コンバータの動作は前述の実施の形態1で説明した動作と同じであり重複するので省略する。
<< Embodiment 2 >>
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of the switching power supply according to Embodiment 2 of the present invention. The switching power supply according to the second embodiment differs from the switching power supply according to the first embodiment in the number of configurations of the half bridge converter used as a converter. In the first embodiment, it is constituted by two half-bridge converters, and in the second embodiment, it is constituted by three half-bridge converters. The operation of each converter is the same as the operation described in the first embodiment and is omitted because it is duplicated.
図3において、入力直流電源1からの入力直流電圧は、入力端子2a,2bに供給されており、入力端子2a,2bには第1のハーフブリッジコンバータ300、第2のハーフブリッジコンバータ303、及び第3のハーフブリッジコンバータ306の各入力側が直列に接続されている。第1から第3のハーフブリッジコンバータ300、303,306のそれぞれには、前述の実施の形態1におけるハーフブリッジコンバータ100,101と同様に、コンデンサ、スイッチング素子、トランス、整流ダイオード、チョークコイル、電流検出器、及び平滑コンデンサが設けられている。
平滑コンデンサ16は、第1のハーフブリッジコンバータ300と第2のハーフブリッジコンバータ303と第3のハーフブリッジコンバータ306の各出力電流を加算した後、平滑しリップル電流を吸収する。平滑コンデンサ16の両端は出力端子20a,20bに接続されており、出力端子20a,20bに接続された負荷21に電力が供給される。
In FIG. 3, the input DC voltage from the input DC power source 1 is supplied to the
The smoothing
図3に示すように、正極側の出力端子20aに生じた電圧は第1の誤差増幅器23の一方に入力され、第1の誤差増幅器23の他方には基準電源22からの基準電圧が入力される。第1の誤差増幅器23は、出力端子20a,20bの出力電圧と基準電源22の基準電圧とを比較し、その誤差を増幅する。
第1の電流検出器302は第1のチョークコイル301に流れる電流を検出し、第2の電流検出器305は第2のチョークコイル304に流れる電流を検出し、第3の電流検出器308は第3のチョークコイル307に流れる電流を検出する。演算器である加算器309は、第1の電流検出器302と第2の電流検出器305と第3の電流検出器308の各出力を加算して単一電流信号を形成し、第2の誤差増幅器27へ出力する。第2の誤差増幅器27では第1の誤差増幅器23の出力と加算器309の出力とを比較し、その誤差を増幅する。
As shown in FIG. 3, the voltage generated at the
The first
第1の三角波発生器310からの第1の基準三角波信号は第1のコンパレータ313の一方の入力端子に供給される。第1のコンパレータ313では第1の基準三角波信号と第2の誤差増幅器27からの出力信号とを比較して第1のPWM信号を形成する。第1のコンパレータ313において形成された第1のPWM信号は第1の分配器314において、2つの出力端子に交互に分配されて、第1のハーフブリッジコンバータ300の2つのスイッチング素子VG1,VG2のそれぞれを駆動する。
The first reference triangular wave signal from the first
第2の三角波発生器311からの第2の基準三角波信号は第2のコンパレータ315の一方の入力端子に供給される。第2のコンパレータ315では第2の基準三角波信号と第2の誤差増幅器27からの出力信号とを比較して第2のPWM信号を形成する。第2のコンパレータ315において形成された第2のPWM信号は第2の分配器316において、2つの出力端子に交互に分配されて、第2のハーフブリッジコンバータ303の2つのスイッチング素子VG3,VG4のそれぞれを駆動する。
The second reference triangular wave signal from the second
第3の三角波発生器312からの第3の基準三角波信号は第3のコンパレータ317の一方の入力端子に供給される。第3のコンパレータ317では第3の基準三角波信号と第2の誤差増幅器27からの出力信号とを比較して第3のPWM信号を形成する。第3のコンパレータ317において形成された第3のPWM信号は第3の分配器318において、2つの出力端子に交互に分配されて、第3のハーフブリッジコンバータ306の2つのスイッチング素子VG5,VG6のそれぞれを駆動する。
第1から第3の三角波発振器310,311,312から出力される第1から第3の基準三角波信号は互いに120度の位相差を有しており、第1から第3のハーフブリッジコンバータ300,303,306の出力端においてリップル電流が相殺され小さくされている。
The third reference triangular wave signal from the third
The first to third reference triangular wave signals output from the first to third
以上のように構成された実施の形態2のスイッチング電源装置における動作について説明する。
実施の形態2のスイッチング電源装置の動作において、前述の実施の形態1と異なる点は、ハーフブリッジコンバータの構成数が3つである点である。第1から第3のハーフブリッジコンバータ300,303,306の出力電流は、位相が120度ずれた3相で動作しており、それぞれの出力電流は加算されて、リップル電流が互いにキャンセルされている。
実施の形態2のスイッチング電源装置においては、それぞれのハーフブリッジコンバータに対する入力電圧はさらに小さくなり、各スイッチング素子に印加される電圧は入力電圧の1/3、即ち(1/3)Vinになり、トランスの1次巻線に印加される電圧は入力電圧の1/6、即ち(1/6)Vinになる。したがって、実施の形態2の構成は、スイッチング電源装置の高効率化とトランスの小型化に有利である。さらに、実施の形態2のスイッチング電源装置は、出力リップルが単独動作の3倍の周波数で動作するため、少ない平滑コンデンサで安定化ができるという優れた効果を奏する。
The operation of the switching power supply according to Embodiment 2 configured as described above will be described.
The operation of the switching power supply device according to the second embodiment is different from the first embodiment described above in that the number of half-bridge converters is three. The output currents of the first to third half-
In the switching power supply device of the second embodiment, the input voltage to each half-bridge converter is further reduced, and the voltage applied to each switching element is 1/3 of the input voltage, that is, (1/3) Vin, The voltage applied to the primary winding of the transformer is 1/6 of the input voltage, that is, (1/6) Vin. Therefore, the configuration of the second embodiment is advantageous for improving the efficiency of the switching power supply device and reducing the size of the transformer. Furthermore, since the switching power supply device of the second embodiment operates at a frequency that is three times that of the single operation, the output ripple can be stabilized with a small number of smoothing capacitors.
実施の形態2のスイッチング電源装置の制御部は、第1から第3のハーフブリッジコンバータ300,303,306を駆動制御する部分であり、第1の誤差増幅器23、第2の誤差増幅器27、第1から第3の電流検出器302,305,308、加算器309、第1から第3の三角波発振器310,311,312、第1から第3のコンパレータ313,315,317、及び第1から第3の分配器314,316,318により構成されている。
The control unit of the switching power supply apparatus according to the second embodiment is a part that controls driving of the first to third half-
制御部においては、第1から第3のハーフブリッジコンバータ300,303,305における第1から第3の電流検出器302,305,308の出力は、加算器309によって全て加算され、第2の誤差増幅器27に入力されている。また、第2の誤差増幅器27には、第1の誤差増幅器23によって得られた電流基準信号が入力され、各出力電流の和が電流基準信号に対応するよう制御されている。したがって、実施の形態2のスイッチング電源装置においては、各ハーフブリッジコンバータの出力電流を個別に制御する構成ではないため、不安定性の要因がなく、安定な動作となる。
In the control unit, the outputs of the first to third
実施の形態2のスイッチング電源装置においては、第1の電流検出器302と第2の電流検出器305と第3の電流検出器308の各出力が加算器309によって加算され、第2の誤差増幅器27に入力される構成である。しかし、本発明において用いる加算器としては厳密な意味の加算回路である必要はなく、加算器309や第2の誤差増幅器27の動作点の確保に必要なオフセットを有しているものであっても良い。このようなものを用いても、実施の形態2のスイッチング電源装置におけるスイッチング制御動作に影響を与えることがない。
また、加算器の代わりに積算器等のおのおのの入力に対して対称で単調な増加もしくは単調な減少の関数である非線形の演算器を用いても、各コンバータを個別に電流制御する構成ではないため、出力が不安定にならないという本発明の効果は保たれる。特に、加算器を用いた場合、平滑コンデンサの充電電流は、加算器の出力である加算結果に比例するので、安定動作に加えて、加算電流に対して出力電圧が1次遅れになり、位相遅れが少なくなるというカレントモード制御の優位性を保持することができる。
In the switching power supply device according to the second embodiment, the outputs of the first
Even if a nonlinear arithmetic unit that is a function of a monotonous increase or monotonic decrease that is symmetric with respect to each input of an accumulator or the like is used instead of an adder, it is not configured to individually control each converter current. Therefore, the effect of the present invention that the output does not become unstable is maintained. In particular, when an adder is used, the charging current of the smoothing capacitor is proportional to the addition result that is the output of the adder. Therefore, in addition to the stable operation, the output voltage becomes a first-order lag with respect to the added current, and the phase The advantage of the current mode control that the delay is reduced can be maintained.
実施の形態2のスイッチング電源装置においては、3つのコンバータを例にとって説明したが、4つ以上のコンバータを用いる場合でも、各コンバータの電流を検出し、それらを加算して和を求め、その和に対して制御を行うよう構成することにより、実施の形態2と同様の効果を得られるのは言うまでもない。
なお、実施の形態2においては、加算器を用いる例について説明したが、加算器を用いることなく、3つのコンバータのいずれかの出力を直接的に第2の誤差増幅器27に入力する構成、すなわち、第1の電流検出器302または第2の電流検出器305または第3の電流検出器308のいずれかの検出信号を第2の誤差増幅器27に入力する構成であっても構わない。
また、実施の形態2においては、ハーフブリッジコンバータを例にとって説明したが、他のフォワード形コンバータ、ブリッジ形コンバータ、またはプッシュプル形コンバータでも同様の効果が得られる。
実施の形態2のスイッチング電源装置においても、実施の形態1で説明したように半導体装置に給電する電源として特に有効である。
In the switching power supply device according to the second embodiment, three converters have been described as an example. Even when four or more converters are used, the currents of the respective converters are detected and added to obtain a sum. It goes without saying that the same effect as in the second embodiment can be obtained by configuring the control so as to control the above.
In the second embodiment, an example using an adder has been described. However, a configuration in which the output of any of the three converters is directly input to the
In the second embodiment, the half bridge converter has been described as an example. However, the same effect can be obtained with other forward type converters, bridge type converters, or push-pull type converters.
The switching power supply according to the second embodiment is also particularly effective as a power supply for supplying power to the semiconductor device as described in the first embodiment.
発明をある程度の詳細さをもって好適な形態について説明したが、この好適形態の現開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものであり、各要素の組合せや順序の変化は請求された発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。 Although the invention has been described in its preferred form with a certain degree of detail, the present disclosure of this preferred form should vary in the details of construction, and combinations of elements and changes in order may vary in the claimed invention. It can be realized without departing from the scope and spirit.
本発明によれば、スイッチング電源回路の入力側直列接続方式とカレントモード制御方式とを一つの装置内で同時に実施して、高安定で小型高効率なスイッチング電源装置及びその制御方法を提供することができ、産業用や民生用の電子機器のために直流安定化電圧を供給する装置及びその制御方法として有用である。 According to the present invention, an input side series connection method and a current mode control method of a switching power supply circuit are simultaneously performed in one device, and a highly stable, small and highly efficient switching power supply device and a control method thereof are provided. Therefore, the present invention is useful as a device for supplying a stabilized DC voltage for industrial and consumer electronic devices and a control method therefor.
1 入力直流電源
2a 入力端子
2b 入力端子
3 第1のコンデンサ
4 第2のコンデンサ
5 第3のコンデンサ
6 第4のコンデンサ
7 第1のスイッチング素子
8 第2のスイッチング素子
9 第3のスイッチング素子
10 第4のスイッチング素子
11 第1のトランス
12 第2のトランス
13 第1の整流ダイオード
14 第2の整流ダイオード
15 第1のチョークコイル
16 平滑コンデンサ
17 第3の整流ダイオード
18 第4の整流ダイオード
19 第2のチョークコイル
20a 出力端子
20b 出力端子
21 負荷
22 基準電圧
23 第1の誤差増幅器
24 第1の電流検出器
25 第2の電流検出器
26 加算器
27 第2の誤差増幅器
28 第1の三角波発振器
29 第2の三角波発振器
30 第1のコンパレータ
31 第1の分配器
32 第2のコンパレータ
33 第2の分配器
100 第1のハーフブリッジコンバータ
101 第2のハーフブリッジコンバータ
1 Input
Claims (11)
前記コンバータから出力された単一出力直流電圧と基準電圧とを比較して第1の誤差信号を形成し、当該第1の誤差信号を増幅した電流基準信号を出力する第1の誤差増幅器、
前記複数のコンバータにおける前記整流手段から出力される電流を検出して単一出力電流信号を形成する演算器、
前記演算器の単一出力電流信号と前記第1の誤差増幅器から出力された前記電流基準信号とを比較して第2の誤差信号を形成し、増幅する第2の誤差増幅器、及び
前記第2の誤差増幅器の出力信号を基にPWM信号を形成し、前記複数のコンバータを各整流手段から出力される電流を基に個別に制御しないように、前記複数のスイッチング手段のそれぞれを前記電流基準信号に対応する前記PWM信号によりPWM制御する複数のPWM信号発生器、
を有することを特徴とするスイッチング電源装置。 A plurality of converters, in which the input side is connected in series and the output side is connected in parallel, each of which is constituted by a plurality of switching means, a transforming means, and a rectifying means to output a single output DC voltage;
A first error amplifier that compares the single output DC voltage output from the converter with a reference voltage to form a first error signal and outputs a current reference signal obtained by amplifying the first error signal ;
An arithmetic unit for detecting a current output from the rectifying means in the plurality of converters to form a single output current signal;
A second error amplifier that compares the single output current signal of the computing unit with the current reference signal output from the first error amplifier to form and amplify a second error signal; and the PWM signal is formed based on the output signal of the error amplifier, said plurality of converters to not controlled individually on the basis of the current output from the rectifying means, said current reference signal to each of said plurality of switching means A plurality of PWM signal generators that perform PWM control by the PWM signal corresponding to
A switching power supply device comprising:
前記単一出力直流電圧と基準電圧とを比較して第1の誤差信号を形成し、当該第1の誤差信号を増幅した電流基準信号を出力するステップと、
前記複数のコンバータにおける前記整流手段から出力される電流を演算して単一出力電流信号を形成するステップと、
前記単一出力電流信号と前記電流基準信号とを比較して第2の誤差信号を形成し、増幅するステップと、
増幅された第2の誤差信号を基にPWM信号を形成し、前記複数のコンバータを各整流手段から出力される電流を基に個別に制御しないように、前記複数のスイッチング手段のそれぞれを前記電流基準信号に対応する前記PWM信号によりPWM制御するステップと、
を有することを特徴とするスイッチング電源装置の制御方法。 In a switching power supply apparatus having a plurality of converters, each having an input side connected in series and an output side connected in parallel, each of which is constituted by a plurality of switching means, a transformer means, and a rectifier means to output a single output DC voltage.
Comparing the single output DC voltage with a reference voltage to form a first error signal, and outputting a current reference signal obtained by amplifying the first error signal ;
Calculating a current output from the rectifying means in the plurality of converters to form a single output current signal;
Comparing the single output current signal with the current reference signal to form and amplify a second error signal;
Based on the second error signal amplified to form a PWM signal, a plurality of converters to not controlled individually on the basis of the current output from the rectifying means, said current each of said plurality of switching means PWM control by the PWM signal corresponding to the reference signal ;
A control method for a switching power supply device, comprising:
前記コンバータから出力された単一出力直流電圧と基準電圧とを比較して第1の誤差信号を形成し、当該第1の誤差信号を増幅した電流基準信号を出力する第1の誤差増幅器、
前記複数のコンバータのいずれか一つのコンバータにおける前記整流手段から出力される電流信号と前記第1の誤差増幅器から出力された前記電流基準信号とを比較して第2の誤差信号を形成し、増幅する第2の誤差増幅器、及び
前記第2の誤差増幅器の出力信号を基にPWM信号を形成し、前記複数のコンバータを各整流手段から出力される電流を基に個別に制御しないように、前記複数のスイッチング手段のそれぞれを前記電流基準信号に対応する前記PWM信号によりPWM制御する複数のPWM信号発生器、
を有することを特徴とするスイッチング電源装置。 A plurality of converters, in which the input side is connected in series and the output side is connected in parallel, each of which is constituted by a plurality of switching means, a transforming means, and a rectifying means to output a single output DC voltage;
A first error amplifier that compares the single output DC voltage output from the converter with a reference voltage to form a first error signal and outputs a current reference signal obtained by amplifying the first error signal ;
A current signal output from the rectifying means in any one of the plurality of converters is compared with the current reference signal output from the first error amplifier to form a second error signal and amplified A second error amplifier that forms a PWM signal based on the output signal of the second error amplifier, and the plurality of converters are not individually controlled based on the current output from each rectifier. A plurality of PWM signal generators for PWM control of each of a plurality of switching means by the PWM signal corresponding to the current reference signal ;
A switching power supply device comprising:
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